DE10254062B4

DE10254062B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Schüttgutparametern

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Publication number: DE10254062B4
Application number: DE10254062A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Prof. Dr.-Ing. Schulze; Hans-Hermann Schulze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: DE10254062A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Schüttgutparametern, bei dem Schüttgut (4) in einen Behälter (1) gefüllt, einer Verdichtung und anschließend einer Scherbelastung bis zu einem Bruch unterzogen wird und die dafür aufzuwendenden Spannungen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdichtung mittels einer Druckplatte (6) auf eine Oberfläche (5) des Schüttguts (4) eine Kraft unter einem spitzen Winkel α mit 10° ≤ α ≤ 60° bis zu einer vorgegebenen Größe (F_V) ausgeübt wird, wobei eine senkrecht zur ausgeübten Kraft entstehende Reaktionskraft (F_Q) aufgenommen wird, und dass auf das verdichtete Schüttgut mittels der Druckplatte (6) eine steigende Messkraft (F_M) unter demselben Winkel α ohne Aufnahme einer senkrecht zur ausgeübten Kraft entstehenden Reaktionskraft (F_Q) ausgeübt wird, bis es zum Bruch der Schüttgutprobe (4) kommt, wobei die ausgeübte maximale Spannung (σ_C) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Schüttgutparametern, bei dem Schüttgut in einen Behälter gefüllt, einer Verdichtung und anschließend einer Scherbelastung bis zu einem Bruch unterzogen wird und die dafür aufzuwendenden Spannungen bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schüttgutparametern mit einem becherartigen Behälter und einer auf die freie Oberfläche des Schüttguts aufsetzbaren Druckplatte mit einer Druckstange, über die eine Druckspannung auf das Schüttgut ausübbar ist und mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung von Druckspannungswerten.

Für die Auslegung von Silos und anderen Anlageteilen, in denen Schüttgüter gelagert oder bewegt werden, ist die Bestimmung der Fließeigenschaften von Schüttgütern wichtig. Die Fließeigenschaften dienen auch dazu, Schüttgüter hinsichtlich ihrer Fließfähigkeit zu vergleichen bzw. einzuordnen. Wichtig ist ferner die Bestimmung der Verfestigung eines Schüttgutes bei längerer Lagerzeit (Zeitverfestigung, „Caking").

Ein einfaches Messprinzip zur Bestimmung von Schüttgutparametern ist der einachsige Druckversuch. Ein Hohlzylinder mit möglichst reibungsfreien Innenwänden wird mit einem feinkörnigen Schüttgut gefüllt. Das Schüttgut wird mit einer Spannung in vertikaler Richtung belastet und so verfestigt. Senkrecht zu der Verfestigungsspannung – somit in horizontaler Richtung – stellt sich eine kleinere Reaktionsspannung ein, die in der Regel etwas 40 bis 50 % der Verfestigungsspannung beträgt. Durch die Belastung des Schüttgutes nimmt dessen Volumen etwas ab, und zwar um so mehr, je verdichtbarer das Schüttgut ist. Neben der Dichtezunahme wird man regelmäßig durch die Verfestigungsspannung auch eine Zunahme der Festigkeit der Schüttgutprobe feststellen. Die Schüttgutprobe wird also durch die Wirkung der Verfestigungsspannung sowohl verdichtet als auch verfestigt. Nach der Verfestigung wird die Verfestigungsspannung weggenommen. Anschließend wird der Hohlzylinder entfernt. Setzt man die verfestigte zylindrische Schüttgutprobe dann einer zunehmenden vertikalen Druckspannung aus, wird es bei einer bestimmten Spannung zum Bruch der Probe kommen. Diese zum Erzielen des Bruchs notwendige Spannung wird als Druckfestigkeit bzw. Schüttgutfestigkeit bezeichnet.

Den Bruchvorgang bezeichnet man in der Schüttguttechnik als „beginnendes Fließen", weil eine zunächst feste Schüttgutprobe zum Fließen gebracht wird. Im Bereich der Bruchfläche lockert sich das Schüttgut dabei auf, da sich die Abstände zwischen den einzelnen Partikeln vergrößern. Beim beginnenden Fließen handelt es sich somit um plastisches Fließen unter Dichteabnahme. Da der Bruch erst bei einer bestimmten Vertikalspannung, die gleich der Druckfestigkeit ist, eintritt, existiert also eine schüttgutspezifische Fließgrenze. Erst wenn diese Fließgrenze erreicht wird, beginnt das Schüttgut zu fließen.

Die Fließgrenze eines Schüttgutes ist auch von seiner Vorgeschichte, also der vorangegangenen Verfestigung, abhängig. Um so größer die Verfestigungsspan nung ist, desto größer sind Schüttgutdichte und Schüttgutfestigkeit. Die mit dem einachsigen Druckversuch ermittelbaren Abhängigkeiten der Schüttgutdichte und der Schüttgutfestigkeit von der Verfestigungsspannung sind beispielsweise in Chem.-Ing.-Tech. 67/1995, Seiten 60 bis 68, dort in den 1 und 2, dargestellt.

Der einachsige Druckversuch ist problematisch, da in der Realität Reibung an der Innenseite des Hohlzylinders existiert und zu einer Abnahme der Vertikalspannung von oben nach unten führt, sodass das Schüttgut nicht überall gleichmäßig stark verfestigt wird. Maßnahmen zur Verminderung der Reibung durch Schmierung (z. B. Fettschmierung der Wand und Abdeckung mit dünner Kunststofffolie) vergrößert den Zeitaufwand für die Messung. Bei der einachsigen Verdichtung werden tendenziell zu kleine Werte für die Schüttgutfestigkeit gemessen, weil die einachsige Verdichtung in vielen Fällen nicht ausreicht, alle Hohlräume im Schüttgut zu beseitigen.

Für die Erzielung quantitativer Aussagen, wie sie für die Auslegung von Silos benötigt werden, werden daher sogenannte Schergeräte benutzt. In Chem.-Ing.-Tech. 67/1995 ist daher auch die Verwendung eines Schergeräts am Beispiel eines Jenike-Schergeräts erläutert. Das Jenike-Schergerät besteht aus einem becherförmigen Bodenring, der ortsfest auf einem Sockel verankert ist. Auf den Bodenring ist ein oberer Ring aufgesetzt und der so gebildete becherartige Behälter mit Schüttgut gefüllt. Ein den Querschnitt des eingefüllten Schüttguts entsprechender Deckel ist mit einer Normalkraft belastbar. Darüber hinaus wird der obere Ring mit einem horizontal vorgefahrenen Scherstift beaufschlagt, der somit gegen den oberen Ring drückt, um diesen gegenüber dem Bodenring horizontal zu verschieben. Das Messverfahren besteht aus zwei Verfahrensschritten, dem „Anscheren" und dem „Abscheren". Beim Anscheren wird die Schüttgutprobe verfestigt, indem auf den Deckel zentrisch eine Normalkraft N ausgeübt wird. Durch das horizontale Verschieben des Deckels und des oberen Rings gegenüber dem fixierten Bodenring wird die Schüttgutprobe einer Scherverformung unterworfen. Die zum Scheren notwendige Kraft S wird durch den Scherstift aufge bracht und gemessen. Aus der Normalkraft N und der Scherkraft S werden die Normalspannung σ und die Schubspannung τ in der angenommenen Scherebene (die Ebene zwischen oberen Ring und Bodenring) berechnet. Das Anscheren geschieht mit einer definierten Normalspannung σ_an, die durch das Anlegen einer entsprechenden Normalkraft N eingestellt wird. Es ergibt sich ein Anstieg der Scherkraft S bzw. der Schubspannung τ mit der Zeit. Zusammen mit der Schubspannung nehmen auch Schüttgutdichte und Festigkeit der Probe zu, bis nach einer gewissen Zeit eine konstante Schüttgutdichte und eine konstante Schubspannung τ_an erreicht wird. Dieser Zustand wird als stationäres Fließen bezeichnet, da sich Schüttgutdichte und erreichte Schubspannung für die aufgebrachte Normalspannung σ_an nicht mehr ändern. Die zum Erreichen der kostanten Schubspannung τ_an gemessene Normalspannung σ_an bildet im σ,τ-Diagramm den Anscherpunkt.

Nach dem Anscheren wird die Schüttgutprobe unter verringerter Normalspannung „abgeschert". Bei hinreichend großer Scherkraft S bzw. Schubspannung τ beginnt die Probe zu fließen, was mit einer Dichteabnahme und entsprechender Abnahme der Schubspannung verbunden ist. Das Maximum im Schubspannungsverlauf kennzeichnet den Beginn des Fließens. Das zugehörige σ,τ-Wertepaar bildet einen Punkt der Fließgrenze, des sogenannten Fließortes, im σ,τ-Diagramm. Werden mehrere Schüttgutproben unter jeweils identischer Normalspannung σ_an angeschert (verfestigt), aber unter verschiedenen Normalspannungen abgeschert, lässt sich der Verlauf eines Fließortes ermitteln. Wie in der Literaturstelle dargestellt ist, erfolgt die Auswertung mit Hilfe zweier Mohrscher Spannungskreise, wobei ein durch den Ursprung des σ,τ-Diagramm verlaufender Mohrscher Spannungskreis die Schüttgutfestigkeit σ_c und der andere Mohrsche Spannungskreis an seinem Schnittpunkt mit der σ-Achse die maßgebliche Verfestigungsspannung charakterisiert. Prinzipiell lässt sich so die Fließfunktion als Funktion σ_c(σ₁) ermitteln.

Die Vorteile der Schergeräte gegenüber dem einachsigen Druckversuch bestehen darin, bei der Verfestigung des Schüttgutes ein stationäres Fließen erreicht wird.

Hierbei stellt sich bei gleicher Verfestigungsspannung eine stärkere Verfestigung ein. Außerdem kommt es durch die intensivere Verformung zu einer homogeneren Schüttgutprobe, in dem kleine Fehlstellen, wie z. B. Hohlräume beseitigt werden, was bei einachsiger Verdichtung nicht immer gegeben ist. Eine Schwäche der Schergeräte besteht jedoch darin, dass man beim An- und Abscheren nur jeweils einen Punkt eines Spannungskreises misst, wobei die Lage des Punktes auf dem Spannungskreis nicht bekannt ist. Daher lässt sich auch hinsichtlich der Richtung der größten Hauptspannung ₁ im Schüttgut keine genaue Aussage machen. Die tatsächlichen Spannungskreise sind somit nicht bekannt. Das Zeichnen des Fließortes durch die Abscherpunkte ist folglich ebenso eine Näherung wie die Konstruktion des Spannungskreises für das stationäre Fließen. Die zu ermittelnden Parameter _c und ₁ werden daher durch die bei der Auswertung durchgeführten Näherungen beeinflusst.

DE 198 06 903 A1 offenbart ein Gerät zur Untersuchung von Bodenproben, bei dem die Bodenprobe in einer Kammer durch Aufbringung eines Normaldrucks von oben kompaktiert und anschließend der Boden der Kammer gegenüber dem den Normaldruck aufbringenden Stempel verschoben wird, um die Bodenprobe zu scheren. Die Mantelwand der Kammer besteht aus flachen, aufeinandergelegten Rahmen, die gegeneinander verschiebbar ausgebildet sind, um so über die Höhe der Bodenprobe der Scherung der Bodenprobe folgen zu können.

US 2001/0049969 A1 offenbart ein Gerät zur Überprüfung der Scherfestigkeit von als Straßenbelag verwendbarem Material, in dem eine die Materialprobe aufnehmende Kammer Gyratorbewegen zur Kompaktierung des Materials unterworfen werden kann. Die Gyratorbewegung bewirkt eine umlaufende geringfügige Schrägstellung der belasteten Flächen der Probenkammer.

Der Erfindung liegt somit die Problemstellung zugrunde, eine verbesserte Bestimmung von Schüttgutparametern zu ermöglichen.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, zur Verdichtung mittels einer Druckplatte auf eine Oberfläche des Schüttguts eine Kraft unter einem spitzen Winkel mit 10° ≤ α ≤ 60° bis zu einer vorgegebenen Größe ausgeübt wird, wobei eine senkrecht zur ausgeübten Kraft entstehende Reaktionskraft aufgenommen wird, und dass auf das verdichtete Schüttgut mittels der Druckplatte eine steigende Messkraft unter demselben Winkel ohne Aufnahme einer senkrecht zur ausgeübten Kraft entstehenden Reaktionskraft ausgeübt wird, bis es zum Bruch der Schüttgutprobe kommt, wobei die ausgeübte maximale Spannung bestimmt wird.

Zur Lösung des genannten Problems ist ferner erfindungsgemäß eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstange zur Ausübung einer Druckspannung unter einem spitzen Winkel mit 10° ≤ α ≤ 60° schrägt zur Druckplatte ausgerichtet ist und dass eine Führungseinrichtung vorgesehen ist, die seitlichen Reaktionskräften der Druckplatte entgegenwirkt.

Erfindungsgemäß befindet sich die Schüttgutprobe somit in einem Behälter, dessen Boden vorzugsweise rauh ist, um das Gleiten des Schüttgutes am Boden zu vermeiden. Auf der Schüttgutoberfläche liegt die Druckplatte, die ebenfalls vorzugsweise mit einer rauhen Unterseite versehen ist. Die Druckplatte wird von der Druckstange mit einer um den Winkel α zur Oberfläche des Schüttgutes geneigten Richtung mit einer Druckkraft beaufschlagt. Die Druckstange ist beispielsweise mit einem Linearantrieb zur Ausübung der Druckkraft und einer Vorrichtung zur Messung der Druckkraft, beispielsweise einer Wägezelle oder Kraftmessdose, versehen. Die Druckplatte wird in geeigneter Weise so geführt, dass sie sich nur geradlinig in Richtung der mit der Druckstange ausgeübten Druckkraft bewegen kann.

Anhand der nachstehend detaillierten Beschreibung wird erläutert, dass die erfindungsgemäße Bestimmung von Schüttgutparametern nicht mit den auswertungsbedingten Unsicherheiten der Scherverfahren versehen ist.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 eine schematische Darstellung der auf ein Schüttgutelement durch die Vorrichtung gemäß 1 einwirkenden Spannungen
3 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines Bruches in der Schüttgutprobe
4 eine schematische Darstellung der durch die Anordnung gemäß 3 auf ein Schüttgutelement einwirkenden Spannungen
5 ein σ,τ-Diagramm mit Mohrschen Spannungskreisen für die Verwendung der Vorrichtung gemäß den 1 bis 4 für eine einachsige Verdichtung
6 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Verdichtung mit anschließendem stationären Fließen ermöglicht
7 eine Variante der zweiten Ausführungsform gemäß 6
8 eine schematische Darstellung der auf ein Schüttgutelement durch Vorrichtungen gemäß 6 und 7 einwirkenden Spannungen
9 eine schematische Darstellung eines σ,τ-Diagramms mit Mohrschen Spannungskreisen für die Bruchspannung und für die Verfestigungsspannung beim stationären Fließen
10 das σ,τ-Diagramm gemäß 9 mit der Darstellung eines linearisierten Fließortes.
1 lässt einen Behälter 1 mit einem Behälterboden 2 und Seitenwänden 3 erkennen, der mit Schüttgut 4 gefüllt ist. Der Behälter 1 ist ortsfest verankert. Das Schüttgut 4 weist zur Oberseite hin eine freie Oberfläche 5 auf, auf die eine Druckplatte 6 aufliegt. In der Zeichnung ist schematisch angedeutet, dass die Unterseite der Druckplatte 6 und die zum Schüttgut 4 zeigende Seite des Bodens 2 aufgeraut sind, und zwar derart, dass ein relatives Gleiten zum Schüttgut 4 verhindert wird.
Die Druckplatte 6 wird durch eine Druckstange 7 gegen das Schüttgut 4 gedrückt. Die Druckstange 7 ist in einem spitzen Winkel α zur Oberfläche 5 des Schüttguts 4 ausgerichtet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht die Druckstange 7 aus einer Spindel 8 und einem Druckstift 9, wobei zwischen beiden ein Kraftaufnehmer 10 angeordnet ist. Die Spindel 8 ist mittels eines ortsfest angeordneten Spindelhubgetriebes 11 durch einen Getriebemotor 12 antreibbar, wodurch die Druckstange 7 in ihrer Längsrichtung unter dem Winkel α in Richtung auf die Druckplatte 6 bzw. von ihr weg verfahrbar ist, wie dies durch einen Doppelpfeil 13 angedeutet ist. Der Druckstift 9 ragt in eine entsprechende Ausnehmung 14 in der Oberseite der Druckplatte 6 hinein. Eine entsprechende Verbindung besteht zum Kraftaufnehmer 10.
Mit der Druckplatte 6 ist ferner eine Führungsstange 15 verbunden, die in 1 als senkrecht zum Druckstift 7 stehender Lenker 16 ausgebildet ist. Der Lenker 16 ist mit der Druckplatte 6 über ein Drehgelenk verbunden und an seinem anderen Ende mit einem Drehgelenk 18 ortsfest verankert.
Zur Verfestigung des Schüttguts 4 wird die Druckstange 7 in Richtung zum Schüttgut 4 durch den Getriebemotor 12 und das Spindelhubgetriebe 11 verfahren. Dabei übt die Druckstange 7 auf die Druckplatte 6 eine Kraft aus, die durch den Kraftaufnehmer 10 gemessen wird. Die Druckstange 7 wird nur soweit vorgefahren, bis eine gewünschte Kraft F_V erreicht ist. Die Kraft F_V wird im weiteren Verlauf der Verfestigung konstant gehalten. Da die Länge der Führungsstange groß gegenüber dem von der Druckplatte 6 zurückgelegten Weg ist, bewegt sich die Druckplatte 6 näherungsweise geradlinig in Richtung der Kraft F_V bzw. senkrecht zur Längsrichtung der Führungsstange 15. Durch die Ausübung der Kraft F_V verformt sich das Schüttgut und es erfolgt eine Dehnung Δ∊ des von der Druckplatte 6 erfassten Schüttguts 4 in Richtung von F_V. Eine Dehnung in dazu senkrechter Richtung wird durch die Führungsstange 15 verhindert, in der sich die Reaktionskraft F_Q einstellt.
Die im Schüttgut 4 in Richtung der Kräfte F_V und F_Q wirkenden Spannungen σ₁ und σ₂ ergeben sich aus den Kräften F_V und F_Q dividiert durch die Projektionsfläche der Druckplatte 6 (Druckplattenunterseite) in Richtung der jeweiligen Kraft. Die in einem Schüttgutelement 4' unter der Druckplatte 6 wirkenden Spannungen sind in 2 vergrößert dargestellt. Die gestrichelten Linien deuten die Form des Schüttgutelements 4' nach der Verformung an. In 2 findet nur eine Dehnung in Richtung von F_V statt. Unter Annahme von Isotropie in dem Schüttgutelement 4' wirkt die größte Hauptspannung σ_1C am Ende der Verdichtung in Richtung von F_V bzw. Δ∊ und die kleinste Hauptspannung σ_2C wirkt senkrecht zu dieser Richtung.
Somit wird in einem begrenzten Bereich unterhalb der Druckplatte 6 mit dem Aufbau von 1 ein Dehnungs- und Spannungszustand wie bei einem einachsigen Druckversuch erreicht, jedoch ohne die Problematik der Wandreibung. Diese kann hier vernachlässigt werden, da die Höhe der Schüttgutprobe klein und die Entfernung der Druckplatte 6 zur Wand demgegenüber groß ist.
Nach der Verfestigung wird das Schüttgut 4 entlastet, indem die Druckstange 7 zurückgefahren wird, bis die durch den Kraftaufnehmer 10 gemessene Kraft gleich Null ist. Dann wird die Führungsstange 15 entfernt und die Druckstange 7 zur Ausübung einer zunehmenden Kraft F_M in Richtung der zur Verfestigung benutzten Kraft F_V auf die Druckplatte 6 vorgefahren, wie dies in 3 angedeutet ist. Bei hinreichend großer Kraft F_M kommt es zum Bruch entlang einer Bruchlinie 19 in dem Schüttgut 4. Unmittelbar vor dem Bruch nimmt die Hauptspannung σ₁ ein Maximum an und fällt dann aufgrund des Bruchs ab. Die größte Hauptspannung am Maximum entspricht der Druckfestigkeit σ_C. Die Spannungen im Moment des Bruchs sind an einem Schüttgutelement 4' in 4 angedeutet. In Richtung der Kraft F_M wirkt die größte Hauptspannung σ₁, senkrecht dazu die kleinste Hauptspannung σ₂. Bei Vernachlässigung der Masse der Druckplatte 6 und des Schüttguts 4 ist die kleinste Hauptspannung σ₂ = 0 und der Maximalwert der größten Hauptspannung σ₁ unmittelbar vor dem Bruch gleich der Druckfestigkeit σ_C des Schüttgutes 4.
Die in 4 gezeichnete Bruchlinie 19 stellt eine Vereinfachung dar. In der Praxis bildet sich eine stark zerklüftete Bruchlinie 19. Der größte Anteil der Bruchlinie 19 hat jedoch eine ausgezeichnete Richtung, die in 4 von links nach rechts leicht ansteigend ausgebildet ist.
5 verdeutlicht ein σ,τ-Diagramm mit den eingezeichneten Werten für die Druckfestigkeit σ_C und die Werte für die größte Hauptspannung σ_1C und die kleinste Hauptspannung σ_2C im Fall der beschriebenen einachsigen Verdichtung. Hieraus resultiert je ein Mohrscher Spannungskreis für den Moment des Bruchs, der durch den Koordinatenursprung und den Wert σ_C läuft, und einer für die einachsige Verdichtung, der durch die Spannungswerte σ_2C und σ_1C bestimmt ist.
Der größere Spannungskreis, der den Spannungszustand beim Verdichten zeigt, verdeutlicht, dass die kleinere Hauptspannung σ_2C häufig etwa 40 % bis 50 % der größten Hauptspannung σ_1C beträgt.
Die in 1 dargestellte Anordnung ermöglicht somit ohne Manipulationen am Behälter 1 des Schüttguts 4 sowohl die Durchführung der einachsigen Verdichtung als auch die Messung der Druckfestigkeit σ_C.
Bei dem in 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Führungsstange 15 in gleicher Weise wie die Druckstange 7 längenverstellbar ausgebildet. Hierzu besteht die Druckstange 15 aus einem Lenker 20, der über einen Kraftaufnehmer 21 mit einer Spindel 22 verbunden ist. Die Spindel ist über ein Spindelhubgetriebe 23 und einem Getriebemotor 24 verschiebbar, wie dies durch den Doppelpfeil 25 angedeutet ist.
Diese Anordnung ermöglicht die Kombination des vorbeschriebenen einachsigen Druckversuchs mit der Verfestigungsmethode „Verdichten mit anschließendem stationären Fließen", die von Schergeräten bekannt ist. Die durch die Führungsstange 15 bewirkte Führung der Druckplatte 6 wird dabei derart ausgeführt, dass sie zusätzlich eine gesteuerte Bewegung der Druckplatte 6 senkrecht zur Richtung der Kraft F_V erzeugen kann.
Zur Verfestigung des Schüttguts 4 wird bei dieser Vorrichtung die Druckstange 7 in Richtung zum Schüttgut bewegt, bis die Druckstange 7 die vorbestimmte Kraft F_V die vorbestimmte Kraft F_V auf das Schüttgut 4 ausübt. Wenn dieser Zustand erreicht ist und dadurch eine Dehnung Δ∊ des von der Druckplatte 6 erfassten Schüttguts 4 in Richtung von F_V hervorgerufen wird, wird die Führungsstange 15 langsam von dem Schüttgut 4 weg bewegt. Die in der Führungstange 15 wirkende Kraft F_Q verringert sich dabei. Dabei kommt es gleichzeitig zum Abfallen der Kraft F_V. Diesem Abfall wird entgegengewirkt, indem durch einen Regler die Druckstange 7 vorgefahren wird, sodass die Kraft F_V konstant gehalten wird. Dabei kommt es näherungsweise zum stationären Fließen des Schüttguts 4, d. h. zu einem Fließen unter konstanten Spannungen σ und konstanter Schüttgutdichte ρ.
In gleicher Weise wirkende Variante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 7 dargestellt. Sie unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 lediglich dadurch, dass der Lenker 20 durch einen Führungsstift 26 ersetzt ist, der mit der Druckplatte 6 und dem zugehörigen Kraftaufnehmer 21 jeweils durch eine als Ausnehmung ausgebildete Aufnahme 27 verbunden ist, wodurch das bei der Bewegung der Druckplatte 6 benötigte Winkelspiel gewährleistet ist.
8 verdeutlicht wiederum die an einem Schüttgutelement 4' auftretenden Spannungen in der Verdichtungsphase. In Richtung der Kraft F_V wirkt die größte Hauptspannung σ_1sf, in dazu senkrechter Richtung die kleinste Hauptspannung σ_2sf. Die Verformung des Schüttgutelements 4' zeigt das gestrichelte Rechteck. In Richtung der größten Hauptspannung σ_1sf erfolgt eine Verdichtung des Schüttgutes und senkrecht dazu eine Ausdehnung. Die bei Verdichtung und Ausdehnung auftretenden Dehnungen haben beim stationären Fließen umgekehrte Vorzeichen, sind aber betragsmäßig gleich, denn das Volumen bleibt konstant. Somit wird in den Messeinrichtungen gemäß 6 und 7 im Rahmen der Verfestigung des Schüttgutes schließlich stationäres Fließen ähnlich wie bei einem Schergerät erreicht, wobei hier aber unter der Voraussetzung von Isotropie die Richtungen der größten Hauptspannungen – und damit der Mohrsche Spannungskreis – bekannt sind.
9 zeigt die zugehörigen Mohrschen Spannungskreise. Gestrichelt dargestellt ist ein Spannungskreis wie in 5, der bei einachsiger Verdichtung erreicht wird, also bevor die Führungsstange 15 vom Schüttgut 4 weg bewegt wird. Sobald die Führungsstange 15 vom Schüttgut 4 weg gefahren wird, wobei die Kraft F_V konstant gehalten wird, verringert sich die Hauptspannung σ₂ und erreicht schließlich beim stationären Fließen den Wert σ_2sf, der kleiner ist als der Wert σ_2c. Die durch den Koordinatenursprung verlaufende Gerade, die den Mohrschen Spannungskreis für das stationäre Fließen tangiert, definiert den effektiven Reibungswinkel φ_e. Um σ_2sf und damit φ_e bestimmen zu können, ist die Führungsstange 15 mit dem Kraftaufnehmer 21 zur Messung der Kraft F_Q versehen.
Die Messung der Druckfestigkeit erfolgt nach der Verfestigung in gleicher Weise durch die Bruchbestimmung wie anhand der 5 erläutert. Mit dem Spannungskreis für den Bruch und den Spannungskreis für das stationäre Fließen lässt sich ein linearisierter Fließort 28 als gemeinsame Tangente an beide Spannungskreise konstruieren. Ein Punkt A, an dem der Spannungskreis für die Druckfestigkeit σ_c den linearisierten Fließort 28 tangiert, legt einen Winkel β fest, den die Ebene im Schüttgut, in der die Bruchlinie 19 auftritt, zu der Ebene, in der die größte Hauptspannung σ_c wirkt, einnimmt. Da der Fließort in der Regel gekrümmt und nicht geradlinig ist, handelt es sich bei dem abgelesenen Winkel β um eine Näherung. Es wird jedoch deutlich, dass die Normale der Bruchlinie 19 um etwa (α + β) gegen die Horizontale geneigt ist. Wählt man α hinreichend klein, kann man erreichen, dass sich die Bruchlinie 19 bzw. Teile der zerklüfteten Bruchlinie in horizontaler Richtung oder von der Kraft F_V weg zeigend in aufsteigender Form ausbilden können. Dadurch kann der Bruch ungehindert erfolgen, denn das Schüttgut 4 oberhalb der Bruchlinie 19 bewegt sich beim Bruch in die durch die Bruchlinie 19 vorgegebene Richtung, also aus dem Schüttgut 4 nach oben. Würden sich dagegen Bruchlinien in abfallender Richtung ausbilden wollen, so wäre der Bruch behindert, da sich das Schüttgut 4 oberhalb der Bruchlinie in das übrige Schüttgut 4 hinein bewegen müsste.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen eignen sich auch zur Bestimmung der Zeitverfestigung („Caking"). Hierfür wird die Verfestigungsspannung nicht nur kurzzeitig auf das Schüttgut 4 ausgeübt, sondern länger, z. B. eine Stunde oder einen Tag. Dadurch lässt sich die Druckfestigkeit σ_C messen, die sich nach einer entsprechenden längeren Verfestigungszeit ergibt. Viele Schüttgüter zeigen mit zunehmender Verfestigungszeit eine zunehmende Druckfestigkeit.
Der Messablauf entspricht dem der Messung zur Druckfestigkeit. Das Schüttgut wird zunächst verfestigt, und zwar entweder durch die einachsige Verdichtung mit einer Vorrichtung gemäß 1 oder durch die einachsige Verdichtung und anschließendes stationäres Fließen mit einer Vorrichtung gemäß 6 oder 7. Dann wird während der zu wählenden Verfestigungszeit die Verfestigungsspannung σ_1C bzw. σ_1sf konstant gehalten, während in Querrichtung (Richtung von σ₂) keine Bewegung erfolgt. Bei vorangegangener einachsiger Verdichtung wird hierzu dient die Druckplatte 6 entsprechend 1 festgehalten, bei vorangegangenem stationären Fließen entsprechend 6 oder 7 wird die Führungsstange 15 nicht bewegt.
Die Messung der Druckfestigkeit erfolgt nach Ende der Verfestigungszeit in der anhand der 3 erläuterten Weise.
Durch die Kraftaufnehmer 10, 21 können bei der Verfestigung beide Hauptspannungen σ₂ und σ₁ gemessen werden. Das Verhältnis der Hauptspannungen σ₂/σ₁ ist das sogenannte Horizontal-Lastverhältnis λ, das für die Bemessung von Silos wichtig ist (vgl. DIN 1055 „Lastannahmen für Bauten", Teil 6).

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Schüttgutparametern, bei dem Schüttgut (4) in einen Behälter (1) gefüllt, einer Verdichtung und anschließend einer Scherbelastung bis zu einem Bruch unterzogen wird und die dafür aufzuwendenden Spannungen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdichtung mittels einer Druckplatte (6) auf eine Oberfläche (5) des Schüttguts (4) eine Kraft unter einem spitzen Winkel α mit 10° ≤ α ≤ 60° bis zu einer vorgegebenen Größe (F_V) ausgeübt wird, wobei eine senkrecht zur ausgeübten Kraft entstehende Reaktionskraft (F_Q) aufgenommen wird, und dass auf das verdichtete Schüttgut mittels der Druckplatte (6) eine steigende Messkraft (F_M) unter demselben Winkel α ohne Aufnahme einer senkrecht zur ausgeübten Kraft entstehenden Reaktionskraft (F_Q) ausgeübt wird, bis es zum Bruch der Schüttgutprobe (4) kommt, wobei die ausgeübte maximale Spannung (σ_C) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Bruchteil der freien Oberfläche (5) des Schüttguts (4) in dem Behälter (1) eine Kraft mittels der Druckplatte (6) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil kleiner als die Hälfte der freien Oberfläche (5) des Schüttguts (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil kleiner als ein Viertel der freien Oberfläche (5) des Schüttguts (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenkraft zur Aufnahme der Reaktionskräfte (F_Q) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Schüttgutes (4) bis zum Zustand des stationären Fließens vorgenommen wird, indem unter Beibehaltung einer konstanten Druckkraft (F_V) die senkrecht dazu stehende Gegenkraft (F_Q) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (6) in Richtung der Gegenkraft (F_Q) von dem Schüttgut (4) weg gefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Wahl des Winkels α die resultierende Richtung einer Bruchlinie (19) in dem Schüttgut (4) von der Druckplatte (6) weg zeigend aufsteigend ausgebildet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung von Schüttgutparametern mit einem becherartigen Behälter (1) und einer auf die freie Oberfläche (5) des Schüttguts (4) aufsetzbaren Druckplatte (6) mit einer Druckstange (7), über die eine Druckspannung auf das Schüttgut (4) ausübbar ist und mit einer Messeinrichtung (10) zur Bestimmung von Druckspannungswerten, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstange (7) zur Ausübung einer Druckspannung unter einem spitzen Winkel α mit 10° ≤ α ≤ 60° schräg zur Druckplatte (6) ausgerichtet ist und dass eine Führungseinrichtung (15) vorgese hen ist, die seitlichen Reaktionskräften in dem Schüttgut (4) entgegenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (6) eine Auflagefläche für das Schüttgut (4) aufweist, die wesentlich kleiner als die freie Oberfläche (5) des Schüttguts (4) in dem Behälter (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (6) eine zum Schüttgut (4) gerichtete raue Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) einen rauen Boden (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung durch eine senkrecht zur Druckstange (7) an der Druckplatte (6) befestigte, drehbar gelagerte Führungsstange (15) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstange (15) mit einer Messeinrichtung (21) für die in ihrer Längsrichtung ausgeübte Kraft versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstange (15) zur Ausübung unterschiedlicher Kräfte im Wesentlichen in ihrer Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist.